标签: 线性光耦

光耦合器，也称为光隔离器，在电子电路中起着至关重要的作用，它可以隔离系统的不同部分，同时允许信号在它们之间传递。它们的主要功能是在没有直接电连接的情况下传输电信号，从而保护敏感元件免受电压尖峰、噪声或波动的影响。光耦合器广泛用于电源电路、通信系统、工业控制和其他需要电气隔离的应用中。 然而，并不是所有的光耦合器都是一样的。主要有两类：普通光耦合器和线性光耦合器。根据输出信号的处理方式，每种光耦合器都有特定的用途。让我们深入研究它们的区别。 1. 普通光耦合器：信号切换焦点 普通光耦合器主要用于切换应用，其目标是检测信号的存在与否。它们由输入端的 LED （发光二极管）和输出端的光电晶体管或光电二极管组成。当输入 LED 通电时，它会发光，从而激活光电晶体管，使电流在输出端流动。 普通光耦合器的主要特点： 非线性响应：普通光耦合器针对开 / 关切换进行了优化。输出响应通常是二进制的 - 高（开）或低（关） - 并且不会忠实地以模拟形式再现输入信号。 高隔离度：关键优势在于它们能够承受高压差（通常高达 5kV ），使其适合保护低压控制电路免受高功率系统的影响。 低速应用：它们是低速、高可靠性应用的理想选择，例如电源、电机驱动器和基本开关电路。 2. 线性光耦合器：模拟信号传输 线性光耦合器，也称为模拟光耦合器，其不同之处在于其能够传输模拟信号而不会产生明显失真。它们不仅仅是切换，还旨在提供输入信号和输出信号之间的线性关系，使其成为传输复杂或变化的模拟信号（如音频或传感器数据）的理想选择。 线性光耦合器的主要特点： 线性响应：这些光耦合器使用专门的设计，例如双光电二极管或带反馈电路的光电晶体管，以确保输出紧密跟踪输入。这使它们成为需要忠实模拟信号传输的应用的理想选择。 准确度和保真度：它们即使在信号变化很小的情况下也能保持信号的准确度和保真度，使其适用于模拟通信、传感器接口和音频信号隔离。 更高的带宽：线性光耦合器的频率响应通常比普通光耦合器更高，从而使它们能够在更宽的频率范围内传输信号而不会失真。 3. 主要差异总结 4. 普通光耦合器与线性光耦合器的应用 普通光耦合器：它们最适合用于需要电气隔离以实现切换的应用。例如，它们用于开关电源、保护低压侧免受高压电涌的影响，或用于微控制器与高功率设备的接口。 线性光耦合器：它们用于模拟信号完整性至关重要的地方。例如，在音频设备、传感器数据传输或精密模拟电路中，线性光耦合器可保持隔离电路之间的信号准确性。 5. 选择合适的光耦合器 普通光耦合器和线性光耦合器之间的选择取决于您的电路要求： 如果您需要简单的开 / 关信号隔离，普通光耦合器就足够了。 如果您的电路涉及传输模拟信号（例如音频、传感器数据），则需要线性光耦合器来确保信号保持准确性。 普通光耦合器和线性光耦合器在电子电路中都发挥着重要作用，但它们的功能不同。普通光耦合器非常适合数字开 / 关切换和高压隔离，而线性光耦合器对于传输精确的模拟信号至关重要。了解这些差异是选择适合您的应用的正确组件的关键，可确保电子系统的最佳性能和保护。

  1. 线形光耦介绍 　　光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围PCB电路组成。由于光耦PCB电路简单,在数字隔离PCB电路或数据传输PCB电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。 　　     对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部PCB电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。 　　     模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受PCB电路用于反馈。这样,虽然两个光接受PCB电路都是非线性的,但两个光接受PCB电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。 　　     市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍 　　 2. 芯片介绍与原理说明 　　HCNR200/201的内部框图，其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2。 　　     K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%）,并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间）,但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围PCB电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。 　　     HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。 　　     采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示： 　　* 线性度：HCNR200：0.25%,HCNR201：0.05%; 　　* 线性系数K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%; 　　* 温度系数： -65ppm/oC;     * 隔离电压：1414V; 　　* 信号带宽：直流到大于1MHz。 　　     从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助PCB电路。下面对HCNR200/201的典型PCB电路进行分析,对PCB电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。 　　 3. 辅助PCB电路与参数确定 　　上面的推导都是假定所有PCB电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。     3.1 运放选型 　　运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个PCB电路的性能。TI公司的LMV321单运放PCB电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围PCB电路。         3.2 阻值确定 　　电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,这样,R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。 　　另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。         3.3 参数确定实例 　　假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面PCB电路,下面给出参数确定的过程。 　　* 确定IFmax：HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右; 　　* 确定R3：R3=5V/25mA=200;     * 确定R1：; 　　* 确定R2：R2=R1=32K。 4. 总结     本文给出了线性光耦的简单介绍以及PCB电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计,并对PCB电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。